Monokulare 3D-Kameras

Objektivaufbau mit integriertem Phasenelement
© Fraunhofer IOF
Schematischer Objektivaufbau mit integriertem Phasenelement in Blendenebene
Monukulare 3D-Kamera - Tiefenprofil
© Fraunhofer IOF
Aufgenommenes Rohbild (links) und rekonstruiertes Tiefenprofil (rechts).

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF hat ein neuartiges Kamerasystem zur passiven, optischen 3D-Objekterfassung entwickelt. Das Aufnahmeprinzip basiert auf der Integration eines mikrooptischen Phasenelements innerhalb eines konventionellen Kameraobjektivs. Die Abbildungseigenschaften des Objektivs werden so verändert, dass die 3D-Informationen des Objektfelds direkt in der aufgenommen Rohbildverteilung kodiert sind. Durch eine angepasste Bildnachverarbeitung kann anschließend einerseits das Tiefenprofil des Objekts und andererseits die hochaufgelöste, laterale Objektverteilung rekonstruiert werden. Einsatzmöglichkeiten finden sich von der Mensch-Maschine-Interaktion über die Qualitätskontrolle in Fertigungsprozessen bis hin zum Bereich Virtual und Augmented Reality.

Neben der klassischen, zweidimensionalen Bildaufnahme steht insbesondere die erweiterte Akquisition von Tiefeninformationen im Fokus aktueller Kamera- und Sensorikanwendungen. Entsprechende Applikationsszenarien erstrecken sich von der Mensch-Maschine-Interaktion über die Qualitätskontrolle in Fertigungsprozessen bis hin zum Bereich Virtual/Augmented Reality. Steigende Anforderungen im Hinblick auf 3D-Auflösung, Kompaktheit und Kosten verlangen dabei nach innovativen Lösungen, da bestehende Konzepte an ihre technologischen Grenzen gebracht werden. Ausgehend von diesen Ansprüchen wurde ein neuartiges Kamerasystem zur passiven, optischen 3D-Objekterfassung entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stereo- und Multiapertur-Anordnungen wird nur eine (monokulare) Kamera benötigt. Dadurch können kompaktere und kosteneffizientere Lösungen realisiert werden, die hinsichtlich lateraler und axialer Auflösung bestehenden monokularen und plenoptischen Konzepten überlegen sind.

Das Aufnahmeprinzip basiert auf der direkten Implementierung eines diffraktiven, mikrooptischen Elements in den Strahlengang eines konventionellen Kameraobjektivs (Bild 1). Das strukturierte Oberflächenprofil des 1 mm dünnen Glaselements modelliert die optische Phase, wodurch eine gezielte Beeinflussung der Abbildungseigenschaften der Kamera erreicht wird. Die 3D-Informationen eines aufgenommenen Objektfelds werden so direkt in der Rohbildverteilung optisch kodiert. Eine angepasste, elektronische Bildnachverarbeitung kann anschließend einerseits das Tiefenprofil des Objekts und andererseits die hochaufgelöste, laterale Objektverteilung rekonstruieren (Bild 2). Basierend auf diesem Systemkonzept wurden erstmalig Demonstrationssysteme für Anwendungen im Bereich des Machine Vision umgesetzt (Bild 3). Das mikrooptische Element wurde dabei kosteneffizient durch UV-Replikation im Wafer-Maßstab hergestellt und kann flexibel in ein Kameraobjektiv integriert werden.

Monukulare 3D-Kamera - Phasenelemente
© Fraunhofer IOF
Demonstrator einer monokularen 3D-Kamera mit auswechselbaren Phasenelementen

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M.Sc. René Berlich

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